风机尖端正先导始发及其闪击过程的模拟研究

摘要

随着社会现代化的快速推进，对电力的依赖程度也越来越高。观测结果表明，物体遭受雷击次数随着高度的增加呈现明显的增长。随着风力发电机高度及数量的增长，如何对其进行保护免受雷击损害，从而保证电网平稳运行成为了亟待解决的问题。目前被雷电防护标准中广泛采用的电气几何模型，由于过分的简化和等效雷击物理过程，从而缺乏明确的物理含义，最终导致计算结果与实际现象间存在有较大的差异。于是对于目前广泛存在的问题，本文从闪击物理过程出发，建立上行先导始发和发展模型，针对风力发电机得到更准确的闪击距离和吸引半径，为雷电防护工作提供重要的基础支撑。 本文首先从上行正先导起始的物理过程着手，通过考虑锥形流光茎转化区域，基于热动力学模型和能量平衡方程，建立了锥形流光茎-先导热动力学转化物理模型。随后利用上行先导起始和发展模型，对上行先导的始发及通道的发展情况进行了讨论。并通过验证后的模型，针对风力发电机提出了与观测结果更加吻合的年预计雷击次数计算方法。最后，利用高压平台开展了风力发电机叶片旋转对尖端释放电晕电荷能力影响的试验。 建立了锥形流光茎-先导热动力学转化物理模型。利用有限元方法并采用变网格技术，考虑了二次起晕过程，提出了基于热动力学的上行先导起始条件。研究结果表明，初始电晕过程中产生的电晕电荷越多，虽然会加速流光茎-先导的转化过程，但是也会使空间电荷增多加强屏蔽效应，导致二次起晕过程的延迟。流光茎-先导的转化时间对空气湿度相当敏感，湿度越大转化所耗时间越短，当空气湿度为20 g/m3时，仅需2μs即可达到1500 K的转化温度，但当湿度为5g/m3时的转化过程耗时将会超过13μs。 利用电位畸变法对二次起晕电荷量进行计算，提出了基于有限元方法的上行先导始发简化模型。通过对比简化模型与物理模型对于闪击距离的计算结果后发现，当建筑物高度为90 m时最大平均误差仅为3.61％。随后，建立了吸引半径与物体高度以及回击电流强度之间的关系表达式。最终的计算结果表明，当高大建筑物发生闪击时，电气几何模型计算结果存在较大误差，仅能适用于低矮建筑物。 模拟分析了上行正先导的发展过程，建立了适用于风力发电机雷击吸引半径的计算方法。通过将观测数据与模拟结果进行对比分析，结果表明模拟的上行先导速度及通道长度与观测值保持一致，因此模型的可靠性和准确性得到了验证。随后讨论了回击电流强度、梯级先导发展速度和通道相对位置等因素对上行先导发展的影响，并得到了不同条件下风力发电机的吸引半径。研究结果表明，上行先导通道长度负相关于梯级先导发展速度，当梯级先导速度为1×105 m/s时上行先导通道的最终长度可达134.79 m，速度增长到1×106 m/s时通道长度仅为32.40 m。而当回击电流强度为15kA时上行先导发展的最大速度为7.8×104m/s，回击电流强度增加到50 kA时上行先导发展的最大速度可达到1.8×105m/s。通过对比发现，本文建立的模型预测的吸引半径较大于电气几何模型结果，二者相差77.03％;而当回击电流强度较小时，两者仍然存在着41.14％的差异。 考虑了上行正先导对闪电连接过程的影响，建立了风机等效截收面积的一种新的计算方法。通过将计算得到的年预计雷击次数与观测统计资料进行了对比，结果表明模型结果与观测平均值（0.7761次/年）间仅存在-7.1％的差异，验证了风力发电机年雷击概率计算模型准确性。对风力发电机叶片旋转角度的变化、不同梯级先导发展速度以及回击电流峰值强度对等效截收面积带来的影响也进行了相应的讨论。结果表明，IEC61400规范中提出的等效截收面积计算方法，未包含物理根据过分夸大了等效截收面积。而IEC62305规范中的闪击距离由于未考虑上行先导通道，从而导致得到的等效截收面积较小。本方法与IEC闪击距离计算方案得到的等效截收面积之间存在较大的差异，最大可达313.12％。 利用高压实验平台，研究了叶片旋转对风机尖端电晕放电特征的影响。由于风力发电机叶片的旋转会导致电晕屏蔽层结构的改变，通过实验测量结果表明，静态下叶片旋转角度为0°时向周围空间释放电晕电荷的能力最强，并随着转动角度增大释放的电荷量逐渐减小，之间的差异在10.3％至16.2％间变化。由于叶片旋转致使叶片尖端的局部电场增强，使得其向空间释放电晕电荷的能力增强，从而导致旋转状态下测量到的电晕电流强度大于静态下的平均值。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1本文的研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 直击雷防护技术进展

1．2．2 上行正先导起始模型

1．2．3 下行负先导发展模型

1．2．4 闪击距离计算方法

1．3已有研究中存在的问题及本文主要研究内容

第二章锥形流光茎-先导热动力学转化物理模型

2．1空间电场的求解

2．2初始流光起始判断条件

2．3锥形流光茎-先导热动力转化过程

2．4二次起晕过程研究

2．5本章小结

第三章上行正先导起始过程简化模型

3．1上行正先导起始简化模型的建立

3．2影响上行正先导起始的若干因素

3．3上行正先导起始简化模型验证

3．4建筑物闪击距离的计算

3．5本章小结

第四章风力发电机尖端上行正先导始发过程模拟

4．1风力发电机叶片雷电防护技术

4．2上行正先导发展模型的建立

4．3上行正先导发展模型的检验

4．4上行正先导发展过程模拟

4．5本章小结

第五章风力发电机年预计直击雷次数研究

5．1风力发电机的等效截收面积及年预计雷击次数计算

5．2利用上行正先导始发模型计算风力发电机等效截收面积

5．1．1 不同梯级先导发展速度对等效截收面积的影响

5．2．1 不同回击电流峰值强度对等效截收面积的影响

5．3风力发电机年预计雷击次数计算模型验证

5．4本章小结

第六章风力发电机尖端电晕放电特性研究

6．1叶片旋转作用下的电晕层空间分布概念模型

6．2实验布置方案介绍

6．3实验结果

6．4本章小结

第七章总结和展望

7．1本文主要结论

7．2本文创新点

7．3研究展望

参考文献

发表学术论文及参与科研情况

致谢